多溫區網帶式干燥機熱流場分析與結構優化

龔中良，王鵬凱，李大鵬，易宗霈，劉 豪，文 韜，張 鎮

多溫區網帶式干燥機熱流場分析與結構優化

龔中良，王鵬凱，李大鵬※，易宗霈，劉 豪，文 韜，張 鎮

（中南林業科技大學機電工程學院，長沙 410004）

為實現連續式干燥機溫度分區要求，該研究設計了一種基于分層孔板送風的四層網帶式干燥機。首先，采用計算流體力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）方法優化了氣流分配室出風孔結構參數；并以油茶籽為干燥對象，基于油茶籽干燥動力學特性，建立了干燥機CFD模型，以溫度不均勻系數作為單層溫度均勻性、溫度分層偏離度作為分層溫度顯著性的評價指標，研究了送風溫度自上而下逐層遞減和遞增兩種工況下其內部溫度場分布規律。研究結果表明，在送風溫度遞減和遞增兩種工況下，自上而下各層溫度不均勻系數分別為3.08%、2.00%、1.89%、1.60%和2.37%、2.04%、2.42%、3.31%，遞減工況下溫度分層偏離度為4.94%，遞增工況下溫度分層偏離度為3.57%。可有效實現溫度分區的功能。為了進一步優化干燥機溫度均勻性和溫度分層有效性，為每一層氣流分配室設置阻流板。結構優化后，對于溫度遞減和遞增工況，各層溫度不均勻系數的降幅分別達到了13.0%～66.3%和24.0%～51.7%，溫度分層偏離度降幅分別達到了10.9%和10.1%，分層溫度均勻性和溫度分區效果得到改善。研究結果可為網帶式干燥機進行分區可控變溫干燥提供參考依據。

數值模擬；優化；干燥機；溫度分區；油茶籽

0 引 言

多層網帶式干燥機主要用于顆粒狀物料的干燥，其占地面積小、可實現物料連續干燥[1-2]。目前，網帶式干燥機的研究主要是從結構參數和工作參數等方面進行。張航等[3-4]分析了堆積厚度、溫度、風速與含濕率對檳榔的影響，在干燥機入口處設置導流板，提高了輸送帶上干燥物的含水率均勻性；顏建春等[5]對比了花生干燥機空載工況下有無導風組件時，空氣穿過承料板后的流場分布特性，提高了通風的均勻性；Zhang等[6-7]研究了水產飼料在不同進料厚度下的氣流分布，進料厚度為40 mm時，氣流速度分布的均勻性較好；Zhang等[8]研究了輸送帶位置對氣流分布的影響，比較了不同輸送帶位置下的速度的均勻性，得出較佳的輸送帶位置。

數值模擬可以模擬干燥機在多種條件下的工況，得出其內部的流場及溫度場，不需要復雜的試驗。代建武等[9]對氣體射流干燥機的氣流分配室進行數值模擬，通過平板擾流模型解決氣流分布不均的問題；吳敏等[10]對紅外熱風聯合干燥機的氣流分配室設置二級均風板，并對穩壓腔的不同厚度進行數值模擬分析，確定氣流分配室的結構及最優穩壓腔厚度；Yue等[11]研究速度對多層網帶式干燥機內部氣流分布的影響，通過數值模擬獲得其速度分布并通過試驗驗證，得出較佳優化方案；Li等[12]采用LES模型對干燥機數值模擬，并對結構進行優化，當速度為1.5 m/s，橫縱比較小時，可以提供更好的干燥流動環境，有助于物料干燥并節省能源。

目前網帶式干燥機的送風方式包括頂部送風，底部送風和側面送風等[13-15]。其中，由于熱風密度小，頂部送風會使熱風無法到達底部部分區域，存在干燥死角；底部送風和側面送風可以有效避免干燥死區，但由于是統一送風，無法根據物料干燥工藝曲線有效控制干燥機內不同區域的溫度。

網帶式干燥機常用于顆粒狀物料的干燥，近年來開始被用于干燥油茶籽[16]。采用熱風方式干燥油茶籽具有較好的技術經濟性[17]，并且采用變溫干燥有助于提高油茶籽品質[18]。為了滿足變溫干燥需求，本文設計了一種多溫區網帶式干燥機，采用計算流體力學方法對該干燥機的流場和溫度場進行數值模擬研究，并對干燥機結構進行優化，擬為網帶式干燥機進行分區可控變溫干燥提供了參考依據。

1 工作原理與結構

多溫區網帶式干燥機工作時，物料自頂部進料口進入輸送鏈網干燥，鏈網層之間往復運行將物料送至出料口。根據物料的干燥工藝，不同溫度的熱風從每層送風管道的進風口分別進入，并從側面進入均流箱，最后從均流箱的頂部出風孔流出，該送風方式每層之間相互獨立，實現每層溫度獨立控制，且使熱風直達網帶，與干燥物料直接接觸，減少了熱風傳遞過程中的熱損失，熱風經過干燥物料后變為濕空氣，從干燥機頂部的出風口排出，同時針對不同物料的干燥工藝中干燥時間要求，每層設置一個獨立電機，可以控制每層的運行時間。

多溫區網帶式干燥機結構如圖1所示，包含了4層網帶，其中均流箱和送風管道構成了氣流分配室，每一層網帶均對應于一個獨立的氣流分配室。氣流分配室結構如圖2所示，由于鏈網中間設置有支撐輪，因此設置有左右兩塊均流箱。主要結構參數如表1所示。

1. 均流箱 2.傳動系統 3.進料口 4.出風口 5.保溫板 6.進風口 7.機架 8.輸送網帶 9.送風管道 10.出料口

1. Flow equalizing room 2.Transmission system 3.Material inlet 4.Air outlet 5.Insulation board 6.Air inlet 7.Frame 8.Conveying net belt 9.Air inlet pipe 10.Material outlet

注：為長度方向；為高度方向；為寬度方向。

Note:is the length direction;is the height direction;is the width direction.

圖1 多溫區網帶式干燥機結構圖

Fig.1 Structure diagram of multi-temperature zone belt dryer

1.均流箱 2.送風管道 3.進風口 4.出風孔

1.Flow equalizing room 2.Air inlet pipe 3.Air inlet 4.Air outlet

注：為出風孔間距，mm；為出風孔直徑，mm。下同。

Note:is the distance between air outlets, mm;is the diameter of air outlet, mm. Same as below.

圖2 氣流分配室結構示意圖

Fig.2 Structure diagram of air distribution room

2 模型建立及數值計算方法

首先對干燥機的關鍵部件氣流分配室進行速度場數值模擬，通過優化出風孔設計實現均勻送風。出風孔布置方式考慮了出口孔徑、孔間距（圖2）和排列方式3個因素，并根據預仿真試驗分析結果，孔徑設置15、20、25 mm這 3個水平；孔間距根據孔徑設置=2、3、4、5這4個水平；排列方式設置均勻排列和交叉排列兩個水平。然后基于優化后的氣流分配室結構，建立干燥機模型，以油茶籽作為干燥物料為例，對干燥機內溫度場進行數值模擬，分析干燥機在不同干燥溫度曲線下的性能，最后，對干燥機結構進行進一步優化。

2.1 基本假設與數學模型

針對網帶式干燥機的結構，分別建立氣流分配室、網帶式干燥機的物理模型，在模擬過程中引入以下簡化條件：

1）干燥介質空氣視為不可壓縮理想氣體，且其粘性系數為常數。

2）壁面視為絕熱壁面，不與外界進行熱量交換。

3）由于進出料口在干燥過程中常閉，忽略進出料口對流場的影響。

4）油茶籽層簡化為多孔介質模型，采用孔隙率、能量源項和賦予初始溫度來描述油茶籽的性質和干燥過程。

計算域內包含了空氣和油茶籽。其中空氣滿足連續介質假設，采用連續性方程、動量方程和能量方程來描述其流動和傳熱特性[19-21]。由于本研究主要關注干燥機尺度下的流場和溫度場，所以采用多孔介質模型描述空氣流過油茶籽層的阻力損失，并將該損失賦予動量方程阻力源項；另外將油茶籽從空氣中吸熱的熱量賦予能量方程的源項。

2.1.1 多孔介質模型

將油茶籽層看作各向同性均勻多孔介質模型，熱空氣穿過油茶籽物料層看作多孔介質內的流動，該過程壓力損失即為動量方程中的阻力損失項。根據Ergun公式，得出油茶籽的黏性阻力系數與慣性阻力系數[22-23]。

2.1.2 湍流模型

2.2 邊界條件與參數設置

首先針對氣流分配室的模擬，其進風口設置為速度進口邊界條件，速度取2 m/s，出風孔設置為壓力出口。

而在干燥機尺度的模擬中，每一層氣流分配室的進風口均設置為速度進口邊界條件，速度取2 m/s。干燥機出風口設置為壓力出口。油茶籽物料層設置為多孔介質，設置油茶籽初始溫度為50 ℃，油茶籽參數設置如表2所示[25]。根據干燥機尺寸，設置油茶籽物料層的大小為1 100 mm×700 mm×25 mm。

為了研究多溫區網帶式干燥機的溫度分層效果，設定兩種不同的干燥溫度曲線。考慮網帶式干燥機具有4個入口，2個出口，每一層網帶均對應于一個油茶籽物料層，忽略鏈網鏈條等的影響。每個入口的溫度可按照物料干燥工藝所需要的溫度設置。具體地，每一層氣流分配室進口的送風溫度分別按從上往下逐層遞減（70 ℃-65 ℃-60 ℃-55 ℃）和遞增（55 ℃-60 ℃-65 ℃-70 ℃）設置。需要說明的是，本文中采用的干燥溫度曲線僅為了驗證網帶式干燥機是否可以有效實現溫度分層，以考察該干燥機結構是否也可以用于其他需要進行變溫干燥的物料。

表2 油茶籽物料參數

同時，油茶籽在干燥過程中將吸收空氣中的熱量，因此為油茶籽施加一個能量源項，該能量的數值大小對應能量方程中的內熱源，具體數值根據油茶籽干燥模型計算。根據文獻[26]，其干燥模型為

其中MR為水分比，%；為干燥溫度，℃；為干燥時間，h。

水分比的定義如式（6）所示。

假設油茶籽吸熱量全部用于蒸發其內部的水分，所以能量源項可采用式（8）計算。

表3 溫度遞減及遞增工況下各層油茶籽能量源項參數

2.3 網格劃分與求解方法

利用ICEM將氣流分配室進行網格劃分，主要為結構化的六面體網格單元，對出風孔處進行加密處理，根據孔徑、孔間距及排列方式的不同，其網格數量的范圍為1 581 432～7 821 436。生成的網格如圖3a所示。

利用Fluent Meshing將干燥機模型進行網格劃分，由于干燥機模型較為復雜，對模型進行非結構處理，對物料層進行加密處理，得到的網格數量為9 555 952。生成的網格如圖3b所示。

氣流分配室與干燥機均采用時間步長為0.1 s的瞬態模擬，對于能量方程，收斂標準設定為10-6，對于其他方程，收斂標準設定為10-3。模型的幾何尺寸大，網格數量大，內存使用率高，因此，采用壓力基求解器，壓力、動量、能量方程采用二階離散方法，湍動能（方程）和湍流耗散率（方程）方程采用一階離散方法，時間項采用一階隱式離散方法，采用SIMPLEC算法對離散方程進行求解。

2.4 評價指標

2.4.1 速度不均勻系數

引入速度不均勻系數對氣流分配室出口的速度均勻性進行定量分析[30-32]。該值越小，表明出口的速度均勻性越好。

2.4.2 溫度不均勻系數

定義溫度不均勻系數對干燥機內的不同截面的溫度場的溫度均勻性進行定量分析[30-32]。其值越小，表明溫度分布越均勻。

2.4.3 溫度分層偏離度

式（11）定義了溫度分層偏離度。該評價指標從整體上衡量網帶式干燥機的溫度分層是否符合預期，該值越小，物料層的送風溫度越接近于每一層進風溫度，干燥機的工作效果越理想。

2.5 模型驗證

2.5.1 氣流分配室

為驗證氣流分配室仿真模型的可靠性，搭建了氣流分配室的實體模型，采用的試驗儀器包括150FLJ7工頻離心風機，RS-FS-120-9TH管道式風速傳感器，德圖405i風速儀和SIN-R6000C無紙記錄儀。

試驗中，首先通過調節離心風機頻率，保證氣流分配室進口風速穩定在2 m/s左右，隨后依次測量每個出口處的風速，測量過程重復3次，取平均值作為出口平均風速，最后將試驗出口風速與仿真結果進行對比。

以出口孔徑為=20 mm、孔間距為=55 mm的氣流分配室為例，驗證仿真模型的準確性。試驗結果與仿真結果的速度對比圖如圖4所示。從圖中看出，在=-0.275 m、=-0.950 m處速度差距較小，=-0.575 m、=-0.650 m處速度差距較大。從整體上看，試驗結果小于仿真的結果，主要原因是，仿真設置的進口速度為均勻分布，而試驗時只有風速傳感器附近為2 m/s，其他位置風速由于壁面效應的影響小于2 m/s，從而導致整體速度偏小，但試驗得到的出口風速與仿真結果的變化趨勢一致，說明仿真模型較為準確。

注：實心符號表示模擬結果；空心符號表示試驗結果。

2.5.2 干燥機

對干燥機的溫度場模型進行試驗驗證，搭建了油茶籽干燥試驗平臺（圖5）。采用的試驗儀器包括Fotric236紅外成像測溫儀，RS-WS-I20-2溫濕度變送器。

本文采用的油茶籽為中南林業科技大學望城區雪峰山油茶基地的油茶籽，經測量，試驗樣品直徑為22 mm～26 mm。試驗時，將剛脫蒲后熱油茶籽單層平鋪在油茶籽干燥機的每一層中，送風溫度自上而下設置70 ℃-65 ℃-60 ℃-55 ℃，通過紅外成像測溫儀在每層的觀察口測量干燥腔每一層的溫度，驗證各油茶籽層溫度的均勻程度和干燥機層與層之間的分層效果。

試驗結果與仿真結果對比的溫度不均勻系數如表4所示。從表中可以看出，其溫度不均勻系數較小，溫度分布較為均勻，試驗得出的各層的溫度不均勻系數高于仿真值，主要原因是油茶籽平鋪的厚度不夠均勻，物料層較厚處的溫度較低，導致偏高。

表4 干燥機試驗結果與模擬結果溫度不均勻系數對比

3 結果與討論

3.1 氣流分配室出風孔排列方式對速度分布的影響

均勻排列與交叉排列速度云圖分布如圖6所示。從圖中看出，不同的排列方式影響其出風孔速度的均勻性，從氣流分配室的右側均流箱速度云圖中看出，均勻排列出風孔速度較低的個數較少，而交叉排列下每一列出風孔中均存在速度較低的出風孔；均勻分布下氣流分配室出風孔速度均勻性優于交叉排列，均勻排列下其速度不均勻系數為9.2%，交叉排列下其速度不均勻系數為13.53%。因此，下面主要對均勻排列的情況進行分析討論。

3.2 氣流分配室出風孔孔徑和孔間距對速度分布的影響

均勻排列下孔間距對出風孔速度分布的影響和均勻排列下孔徑對出風孔速度分布的影響如表5所示。從表中看出，孔徑相同的情況下，出風孔的速度隨著孔間距的增大逐漸增大，其中=2時，速度偏差最大為2.81 m/s，且存在速度幾乎為0的出風孔；隨著孔間距的增大，速度偏差逐漸減小，均勻性改善，且在=5時，其速度偏差最小，為1.66 m/s，其均勻性較好。

從表5中還看出，在=5時，=15 mm對應的最大速度為4.22 m/s，最小速度為2.16 m/s；=20 mm時，最大速度為4.21 m/s，最小速度為2.55 m/s；=25 mm時，最大速度為4.67 m/s，最小速度為2.50 m/s。因此，在=20 mm時，速度偏差最小，出風孔速度較為均勻。

表5 均勻排列不同孔徑與不同孔間距下速度分布

圖7對比了均勻排列下不同孔間距和孔徑下的速度不均勻系數。不同孔徑之間的速度不均勻性系數差距不大，出風孔處均勻程度較為一致，而不同孔間距下的速度不均勻性系數差距較大，當=20 mm，=2時，均勻性最差，其速度不均勻系數為77.36%，當=20 mm，=5時，均勻性較好，其速度不均勻系數減小至9.2%。

3.3 多溫區網帶式干燥機溫度分布特性

以油茶籽物料層底部截面為例，分析在溫度遞減和遞增兩種干燥溫度曲線下不同高度截面的溫度分布，模擬結果如圖8所示。

從圖8中看出，分析面各點溫度低于各層對應的送風溫度，且送風溫度越低，兩者之間的差值越大。主要原因在于油茶籽表面溫度低于每層送風溫度且其在干燥過程中吸收熱量，導致附近空氣溫度有所降低。

對于溫度遞增干燥曲線而言，自上而下各層溫度不均勻系數分別為1.56%、2.04%、2.42%、3.31%，溫度分層偏離度為3.57%；而對于溫度遞減干燥曲線而言，自上而下各層溫度不均勻系數分別為3.08%、2.00%、1.89%、1.60%，溫度分層偏離度為4.94%。可見，對于兩種干燥曲線而言，溫度不均勻系數和溫度分層偏離度均較小，說明所設計的網帶式干燥機結構可以獲得預期的效果。

同時看出，送風溫度越高，該層的溫度不均勻系數也越高，這主要是由于氣流分配室的兩個均流箱中間存在間隙，均流箱出來的熱風不能直接送到中間區域，導致該區域溫度受油茶籽表面溫度的影響較大；同時均流箱中間的空隙也會使其他層的熱風通過，從而影響中間區域溫度不能達到預期值。

3.4 優化設計

為了克服上述均流箱中間空隙導致的問題，進一步提高溫度均勻性和溫度分層有效性，對原始設計結構進行進一步地優化。在每一層氣流分配室的兩個均流箱之間設置一塊阻流板，如圖9所示，擬隔斷不同層空氣通過中間空隙進行混合。根據兩個均流箱之間的孔隙大小，設置阻流板尺寸為720 mm×144 mm× 3 mm。

優化前后的各層溫度不均勻系數如表6所示。在溫度遞減工況下，自上而下各層溫度不均勻系數分別由3.08%、2.00%、1.89%、1.60%降低至2.43%、1.74%、1.30%、0.54%，各層降幅分別達到21.1%、13.0%、31.2%、66.3%；溫度均勻性改善；溫度分層偏離度從優化前的4.94%降低到了優化后的4.4%，降幅達到了10.9%。在溫度遞增工況下，自上而下各層溫度不均勻系數分別由2.37%、2.04%、2.42%、3.31%降低至1.56%、1.55%、1.71%、1.60%，各層降幅分別達到34.2%、24.0%、29.3%、51.7%；溫度均勻性改善；溫度分層偏離度從優化前的3.57%降低到了優化后的3.21%，降幅達到了10.1%。

表6 溫度遞增和遞減工況下優化前后各層溫度不均勻系數

4 結 論

1）氣流分配室的結構影響其出風均勻性，孔間距對均勻性的影響最大，而出風孔的排列方式、孔徑的影響較小；當=20 mm，=5時，均勻性較好，其速度不均勻系數為9.2%。

2）本文所設計的多溫區網帶式干燥機在初始設計結構下可實現多種溫度分層的需求；在溫度遞增干燥曲線條件下，自上而下各層溫度不均勻系數分別為2.37%、2.04%、2.42%、3.31%，溫度分層偏離度為3.57%；而在溫度遞減干燥曲線條件下，各層溫度不均勻系數分別為3.08%、2.00%、1.89%、1.60%，溫度分層偏離度為4.94%；溫度不均勻系數和溫度分層偏離度均較小。

3）通過設置阻流板，可以進一步優化干燥機溫度分層效果和均勻性。在溫度遞增和遞減兩種工況下，溫度分層偏離度從優化前的3.57%和4.94%分別降低到了3.21%和4.40%，降幅分別達到了10.1%和10.9%；各層的溫度均勻性也達到了不同程度的改善。

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Analysis and structure optimization of the temperature and flow fields of the belt dryer with multi-temperature zones

Gong Zhongliang, Wang Pengkai, Li Dapeng※, Yi Zongpei, Liu Hao, Wen Tao, Zhang Zhen

(,,410004,)

Variable temperature during drying can usually be utilized to improve agricultural product quality in recent years. However, it is difficult to control intentionally the temperature distribution inside traditional multi-layer belt dryers. In this study, a novel type of belt dryer was proposed to select proper structural parameters of the air distribution chamber, further evaluating the performance of the new dryer. Four layers of conveyor belts were also added into the air distribution chamber, under which to supply directly hot air for drying products. Firstly, computational fluid dynamics (CFD) was used to optimize the structural parameters of air outlets in a single air distribution chamber, thereby reducing the velocity non-uniformity coefficient (VNUC). The specific structural parameters included the diameter of the outlet orifice, the distance between orifices, and the arrangement of orifices. Secondly, a CFD model was developed for the whole belt dryer with optimized structure parameters of air distribution chambers. Specifically, the drying material was selected as Camellia oleifera seeds, which were granular suitable for belt dryers. A porous media model was also adopted to evaluate the drying effect of seeds on airflow distribution, considering that the material absorbed the heat from surrounding air, according to the drying kinetics of the material. Thirdly, two typical profiles of air temperature were determined for the inlet of each air distribution chamber, including the inlet temperature increasing layer by layer from top to bottom, while the decreasing counterpart. Finally, two evaluation indicators were defined, including the temperature non-uniformity coefficient (TNUC) and temperature stratification deviation (TSD). The TNUC was used to evaluate temperature uniformity adjacent to each conveyor belt, while the TSD indicated to what extent the actual temperature deviated from the set one. The simulation results show that the distance between orifices presented the most significant effect on air distribution. There was no marked effect on the diameter of the outlet orifice, and the arrangement of orifices. Subsequently, the optimal combination of structural parameters was obtained, where the minimum VNUC was achieved concurrently. Additionally, the independent temperature control can be expected to be effectively realized for each layer inside the dryer during the simulation. In particular, the TNUC of each layer from top to bottom were 3.08%, 2.00%, 1.89%, and 1.60% under the decreasing inlet temperature profile, whereas, 2.37%, 2.04%, 2.42%, and 3.31% under the increasing one. Specifically, the TSDs were 4.94% and 3.57% under the above two profiles, respectively. Furthermore, it was also found that the uniformity and deviation of temperature can be further improved by installing the deflector horizontally in the middle of each layer. Consequently, the deflector decreased the TNUC of each layer by 21.1%、13.0%、31.2%、66.3% for the decreasing profiles, and 34.2%、24.0%、29.3%、51.7% for the increasing one, respectively, whereas, the TSDs were reduced by 10.9% and 10.1%, respectively, compared with the original structure. This finding can provide a valuable reference for the multi-layer belt dryers to perform variable temperature drying with independent temperature control for different zones.

numerical simulation; optimization; dryer; temperature divisions;seeds

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.18.005

S226.6

A

1002-6819(2021)-18-0040-08

龔中良，王鵬凱，李大鵬，等. 多溫區網帶式干燥機熱流場分析與結構優化[J]. 農業工程學報，2021，37(18)：40-47.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.18.005 http://www.tcsae.org

Gong Zhongliang, Wang Pengkai, Li Dapeng, et al. Analysis and structure optimization of the temperature and flow fields of the belt dryer with multi-temperature zones[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(18): 40-47. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.18.005 http://www.tcsae.org

2021-06-06

2021-09-14

湖南省科技計劃重點研發項目（2018NK2066）；湖南省教育廳科學項目（18B192，20A515）；湖南省自然科學基金（2020JJ4142）；湖南省林業杰青培養科研項目（XLK202108-7）

龔中良，博士，教授，研究方向為智能農業裝備及自動化。Email：gzlaa@163.com

李大鵬，博士，講師，研究方向為智能干燥技術及裝備。Email：dapengli@csuft.edu.cn

中國農業工程學會高級會員：龔中良（E041201190S）